驱动磁性液体金属实现柔性电路印刷
来源:极端制造期刊(英文) 浏览次数: 发表日期:2021-04-25

1.文章导读

近年来,柔性电子在医疗健康检测、智能机器人以及柔性电子皮肤等领域的研究越来越多,制备具有高延展性的柔性电路成为柔性电子应用的关键。利用纳米复合材料以及离子凝胶等制备弹性导电体是目前主流的柔性电路制备方式,但是目前仍存在着高延展性与高导电性无法同时满足等问题。镓基合金作为一种室温下以液体形式存在的金属材料,采用镓基金属作为导体材料成为目前制备柔性电路中的一个新的策略。不同于传统电路制备方式,液体金属通常以液体油墨的形式进行印刷,而选择性润湿是目前液体金属电路印刷的主要方式之一,因此对于调控液体金属浸润性的方法研究至关重要。飞秒激光具备高精密加工的能力,被广泛应用于微纳加工领域,如三维加工,液体浸润性调控等。

近期,西安交通大学微纳制造与测量技术国际合作联合实验室的陈烽教授研究团队《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上发表《驱动磁性液体金属实现柔性电路印刷》的文章,介绍了飞秒激光在柔性硅胶基底表面制备超疏液体金属表面的研究进展。通过调控液体金属浸润性实现液体金属在柔性硅胶基底表面的功能化操控,如柔性电路印刷、电路修复等。所制备的液体金属电路具备很好的表面均匀性,以及良好的柔性电学性能,能够应用于柔性拉力传感领域,而且在激光图案化扫描过的表面进行印刷的液体金属电路能够在酒精溶液中进行回收再利用。

亮点:

● 利用飞秒激光处理柔性硅胶基底,制备了超疏液体金属表面。

● 通过调控液体金属浸润性实现液体金属图案化制备。

● 控制磁性液体金属在硅胶基底表面实现功能化操控,如液体金属电路印刷以及修复等。

2.研究背景

镓基合金(如镓铟合金、镓铟锡合金等)作为一种室温下呈现液态的金属材料,近年来被研究作为一种新兴的柔性电路电极材料。柔性电子需要能够在承受复杂变形时仍然保持有良好的导电性能以及回弹性能,基底材料和电极材料的选择对于柔性电子器件的性能至关重要。镓基液体金属有着很好的流体特性,而且在室温下具备优良的导电性,导热性,以及无毒等特点,是一种很好的柔性电极材料。将镓基液体金属用于柔性电路的制备,其制备工艺不同于传统PCB电路制备方式,需要进行新技术的探究。目前,液体金属柔性电路的制备方式主要包括选择性浸润,模板印刷,喷涂法,微流道注射法以及导电聚合物。利用镓基合金流体的特性,通过浸润性调控来进行图案化制备是目前较为常用的方式。镓基液体金属极易在有氧环境中氧化,外部包裹有一层极高粘附性的氧化层,使得液体金属极易粘附在平滑的表面。相反,粗糙的表面结构能够显著降低液体金属的粘附性。利用液体金属在两种不同表面表现出的浸润性差异进行印刷,是一种简单而无模板的图案化方式,而且通常能够得到较高精度和高分辨率的液体金属图案。但是目前液体金属印刷时同样存在着印刷后的液体金属电路均匀性差,印刷方式灵活性低,以及无法同时进行电路印刷与修复等问题。针对上述问题,陈烽教授研究团队介绍了一种利用飞秒激光进行液体金属浸润性调控,并且通过控制磁性液体金属实现高精度、高均匀性的电路印刷方式,而且能够对液体金属进行灵活操控,实现电路修复等功能。

3.最新进展

研究人员通过飞秒激光调控磁性液体金属在硅胶表面的润湿性来达到高精度,高均匀性图案化印刷的目的。如图1a,b所示,当驱动磁性液体金属在硅胶材料表面运动时,液体金属会在平滑的硅胶表面留下一道液体金属轨迹,而在飞秒激光处理过的超疏液体金属表面则完全不会发生粘附。通过磁性液体金属在这两种不同表面粘附性的差异,可以进行图案化制备,如图1c,d所示。飞秒激光通过逐行扫描的方式对所需图案以外的区域进行扫描,未处理的光滑区域为液体金属印刷图案区域。通过对比驱动磁性液体金属在无激光预先图案化处理的表面和激光图案化处理以后的表面的两种印刷结果(图1e,f),可以发现后者能够精确控制图案并且能够灵活控制印刷过程中图案的线条宽度等。

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图1 磁场磁性液体金属印刷的原理及结果

通过该方式制备的柔性电路其最小线宽能够达到200μm,而且表面十分均匀光滑(图2a-c)。而且所制备的均匀的液体金属电路其电阻完全不受弯曲变形的影响,这也提高了柔性电路应用中信号的稳定性(图2e)。在承受拉伸变形时,所制备的液体金属电路满足良好的电阻变化特性,能够应用于柔性拉力传感器的制备(图2f)。同时,可以发现在承受各种复杂变形时,柔性电路依然保持良好的电路导通性能(图2g)。

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图2 液体金属电路的印刷效果及电学性能表征

相比于传统印刷方式,通过在液体金属中加入铁颗粒使得液体金属具备磁场响应的特性。结合飞秒激光的图案化扫描,能够灵活控制磁性液体金属在柔性硅胶基底表面实现电路印刷以及修复工作,而且修复过程不会造成短路现象,因为飞秒激光制备的超疏液体金属表面具备十分稳定的超疏特性,液体金属无法粘附在激光处理过的非图案区域(图3)。通过飞秒激光预处理的辅助,并且在磁场控制下实现液体金属功能化操控,能够应用于高精度柔性电路印刷,电路修复以及液体金属液滴开关等领域中。所制备的液体金属柔性电路能够应用于柔性可穿戴设备,柔性传感器等领域。

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图3 控制磁性液体金属实现电路印刷以及电路修复

4.未来展望

研究人员通过在液体金属中加入铁颗粒实现了液体金属磁场响应,而且通过飞秒激光辅助处理能够实现高精度液体金属图案印刷,用以柔性电路制备。所制备的柔性电路具备良好的表面质量以及优异的柔性电学性能,能够应用于柔性电子及柔性传感等领域。在磁场控制下,磁性液体金属不仅能够实现电路印刷,而且能够对破损电路进行修复,实现了对液体金属的功能化操控,在液体金属液滴的智能化操控中具有潜在的应用。




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